Hartowanie stali polega na nagrzaniu wsadu do temperatury, w której istnieje austenit, wygrzaniu w tej temperaturze , a następnie szybkim oziębieniu w celu uzyskania struktury martenzytycznej bądź bainitycznej.
Rodzaje hartowania stali:

Hartowanie martenzytyczne i bainityczne:	Hartowanie powierzchniowe:
hartowanie zwykłe hartowanie stopniowe hartowanie izotermiczne	hartowanie indukcyjne hartowanie płomieniowe hartowanie kąpielowe

Hartowanie zwykłe (ciągłe): Polega na nagrzaniu przedmiotu do odpowiedniej temperatury, czyli do stanu austenitycznego (powyżej linii GS), a następnie szybkim ochłodzeniu w kąpieli chłodzącej do temperatury poniżej temperatury przemiany martenzytycznej, zazwyczaj do temperatury równej lub zbliżonej do temperatury otoczenia, tzn. 15 – 60 °C.
(Hartowanie takie, najczęściej stosowane w praktyce, umożliwia uzyskanie największej twardości dzięki zachodzącej przemianie martenzytycznej.)
Hartowanie stopniowe: Polega ono na nagrzaniu przedmiotu jak przy hartowaniu zwykłym, szybkim chłodzeniu w kąpieli saletrzanej lub ołowiowej nagrzanej do pewnej temperatury pośredniej, czyli nieco powyższej temperatury początku przemiany martenzytycznej, wytrzymaniu w tej temperaturze, a następnie chłodzeniu w oleju lub powietrzu. Hartowanie z przemianą izotermiczną: Zwane hartowaniem izotermicznym polega na nagrzaniu stali powyżej A3 – A1, wygrzaniu, a następnie oziębieniu w kąpieli o temperaturze wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej Ms.
(Odmianą hartowania izotermicznego jest hartowanie polegające na chłodzeniu z przystankiem izotermicznym zapewniającym rozpoczęcie przemiany bainitycznej.) Hartowanie powierzchniowe stosuje się w celu uzyskania dużej twardości wierzchniej warstwy przedmiotu, przy zachowaniu niezmienionych własności rdzenia. Zapewniona wówczas zostaje duża odporność powierzchni na ścieranie i jednocześnie wytrzymałość przedmiotu na uderzenie.
Hartowanie kąpielowe: Hartowanie kąpielowe polega na nagrzewaniu przedmiotu w kąpieli ołowiowej lub solnej, a następnie oziębieniu go w wodzie lub oleju.
Hartowanie indukcyjne: Hartowanie indukcyjne polega na umieszczaniu przedmiotu obrabianego w cewce, przez którą przepływa prąd o bardzo wysokiej częstotliwości (10 MHz)
Hartowanie płomieniowe: Hartowanie płomieniowe polega na nagrzewaniu obrabianego przedmiotu palnikami gazowymi i szybkim chłodzeniu.

Przemiana martenzytyczna – przemiana fazowa pierwszego rodzaju zachodzącą mechanizmem bezdyfuzyjnym, której produktem jest struktura nazywana martenzytem.

Cechy przemiany martenzytycznej:
- przemiana bezdyfuzyjna
- temperatura początku przemiany nie zależy od szybkości oziębiania,
- martenzyt powstaje przy ciągłym obniżaniu temperatury od Ms do Mf,
- przemiana postępuje przez tworzenie się nowych płytek martenzytu, a nie przez rozrost już istniejących,
- postęp przemiany zostaje zahamowany przez rosnące naprężenia ściskające w austenicie

Przemiana bainityczna – przemiana pośrednia przy chłodzeniu z austenitu, której produktem jest mikrostruktura bainitu.

Przemiana perlityczna – przemiana fazowa (termiczna) austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 727 °C) nagrzanej do temperatury austenitu. Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu poniżej temperatury A_r1 (alotropowej). Jest to przemiana dyfuzyjna, związana z przegrupowaniem atomów węgla, zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków; zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziaren; kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu.